用于光学聚焦的螺纹压电驱动器的制备与实验

论文摘要

在当今社会，随着科学进步和社会发展，压电陶瓷驱动器（即超声波电机）在微纳技术、光学仪器、精密机械、生物医药、航空航天、汽车电子、半导体检测、国防武器等领域有着广泛应用。与传统电机相比更加能够满足日益苛刻和特殊的要求。压电陶瓷驱动器在日益成熟的研究中表现了一些优异的性能：例如，高能量密度、结构简单、易于微型化、低速大扭矩、高效率、位置分辨率高、不受电磁干扰、能够断电自锁和快速响应等[1-5]。目前，随着相机和手机照相系统的日益发展，压电陶瓷驱动器也日益在该领域发挥作用，但仍存在诸多问题，例如，器件结构复杂、抗跌落性能不好、可靠性不高等等，制约了该技术在光学模组变焦上的广泛应用。针对这些问题，基于课题组早期研究的转速可达10000rpm，响应时间小于1ms的棒板结合式压电电机的启发，设计并制备了两种尺寸的新型扩展结构的用于光学模组变焦的螺纹压电驱动器。两种压电驱动器均采用筒板结合式的定子结构，在B11工作模态下通过定子圆筒内螺纹将运动传递给转子，单层压电陶瓷粘贴在定子板上驱动电机运转。有限元分析了该压电陶瓷电机的谐振工作频率下的振动模态和频率特征以及谐响应状态，制作了2种电机样机，并与实验条件下的激光多普勒激光测振仪的微振动实验测试结果进行对比，实验验证了理论预测并证明了这种结构简单紧密的压电驱动器的可行性，验证了本设计的可行性和正确性。对于用于摄像头的筒板结合式螺纹压电陶瓷微驱动器进行电机运行性能测试，实验测试了电机转速、启动响应时间等工作性能，并且研究了工作频率、加载电压、携带负载对电机转速的影响，以及电机转子在电机定子内转动时的位置对驱动器谐振与反谐振频率的影响。对于上述驱动器进行了高低温度实验，研究了该压电微驱动器在高低温环境下的阻抗频谱及导纳等性能变化，为提出电机在现实温度环境中加载工作频率软件控制方案提供实验数据。此外，本论文在用于摄像头的筒板结合式螺纹压电驱动器的基础上设计、制备并测试了用于手机镜头的另一款小型螺纹压电驱动器，利用激光测振和定子阻抗频率谱线的测量方法探究了该驱动器的谐振频率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景及研究意义
• 1.2 目标和任务
• 1.3 压电电机概述
• 1.3.1 压电陶瓷和压电效应
• 1.3.2 压电陶瓷电机的特点
• 1.4 压电电机的分类及研究现状
• 1.4.1 基于纵振模态
• 1.4.2 基于纵/弯复合模态
• 1.4.3 基于纵/扭复合模态
• 1.4.4 基于弯振模态
• 1.5 用于镜头模组的压电微电机的发展与现状
• 第2章 筒板结合式螺纹压电电机设计
• 2.1 结构与原理
• 2.1.1 压电电机和陶瓷结构
• 2.1.2 螺纹压电电机运行原理
• 2.2 电机定子的有限元建模与分析
• 2.2.1 确定电机定子的工作模态
• 2.2.2 谐响应分析
• 2.3 实验测试
• 2.3.1 定子的激光振动测试
• 2.3.2 定子阻抗频率响应测试
• 2.4 小结
• 第3章 筒板结合式压电螺纹电机高低温实验
• 3.1 实验仪器和实验条件
• 3.2 动态阻抗和谐振频率
• 3.2.1 温度对阻抗频率响应曲线的影响
• 3.2.2 等效电路与导纳特性、机械品质因数
• 3.2.3 介质损耗和电学品质因数
• 3.2.4 电机携带转子的谐振情况的研究
• 3.3 小结
• 第4章 筒板结合式压电螺纹电机运行性能测试
• 4.1 转速测量
• 4.1.1 实验设备和实验条件
• 4.1.2 工作频率对压电螺纹电机转速的影响
• 4.1.3 工作电压对压电螺纹电机转速的影响
• 4.1.4 负载对压电螺纹电机转速的影响
• 4.2 启动响应时间测量
• 4.3 小结
• 第5章 用于手机光学模组的螺纹压电微电机
• 5.1 电机设计与样品制备
• 5.2 电机谐振频率的确定
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果